ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI SLftSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 94
1986 Nr kol. 880
Rudolf ŻAMOJDO Kazimierz RZEPA
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej
Sławomir KRYSTEK
Wschodni Okręg Energetyczny - Radom
WARUNKI PRACY PRZEGRZEWACZY KI£DZYSTOPNIOWYCH W KOTŁACH EP-650
Streszczenie. Omówiono, potwierdzone wcześniejszym pomiarami, spostrzeżenia eksploatacyjne użytkownika kotła o przekraczaniu tempe
ratur dopuszczalnych i przedwczesnym zużyciu się części rur przegrze- wacza grodziowego pary międzystcpniowej, a także doraźne przedsię
wzięcia mające na celu niedopuszczenie do zmniejszenia dyspozycyjno
ści "kotła. Z racji konieczności prowadzenia modernizacji przegrzewa- cza i potrzeby ustalenia przyczyn występowania istniejących trudno
ści, przedstawiono program badań, a następnie wyniki wstępnych pomia
rów profilu prędkości i rozkładu temperatury spalin w kanale. Podano również rozkład temperatury pary na wylocie z wężownic w wytypowanych do pomiaru grodziach.
1 . Wstęp
Prawie 5-letnia praktyka eksploatacyjna importowanych i zainstalowanych w Elektrowni Połaniec kotłów EP-650 pozwala przeprowadzić stosunkowo wnik
liwą ocenę kotłów tak pod względem konstrukcyjnym, jak również eksploata
cyjnym. Jednak ze względu na podjęty w referacie problem, ograniczymy się do ogólnego stwierdzenia, że kotły nie nastręczają większych trudności ruchowych, mimo, że jakość spalanego paliwa pogarsza się permanentnie, a różnica wartości opałowej w stosunku do paliwa gwarantowanego sięga 3000-^500 kJ/kg. Zmiany jakości paliwa oddziałują w znacznym stopniu na pracę kotła i powodują łagodzenie jednych, a narastanie innych problemów.
Zamierzeniem naszym jest przedstawić problem, jaki występuje we wszystkich zainstalowanych kotłach, niezależnie od zmian jakości spalanego paliwa, a dotyczący nadmiernego wzrostu temperatury metalu części rur przegrzewa- cza grodziowego pary międzystopniowej po stronie lewej kotła. 0 istocie problemu świadczy fakt, iż w obawie przed ewentualnym rozerwaniem rur, w czasie okresowych przeglądów, służby remontowe elektrowni zaślepiają lub wycinają skrajne rury, w których zjawisko zendrowania, spowodowane przekroczeniem temperatur dopuszczalnych metalu, doprowadziło do nadmier
nych ubytków grubości ścianek rur.
2. Konstrukc.ia i lokalizacja przegrzewacza mlędzystopnlowego w kotle Przegrzewanie pary międzystppniowej następuje w podzielonym na trzy stopnie przegrzewaczu, umieszczonym w kanale międzyciągu, bezpośrednio za
410 R. Żamojdo, K. Rzepa, S. Krystek
przegrzewaczami grodziowymi pary świe
żej (rys.l). Jak widać z rysunku,prze
pływające spaliny omywają poszczególne stopnie przegrzewacza w następującej kolejności:
- grodziowy ( i l j stopień)
- konwekcyjny (lll| stopień - wylo
towy)
- konwekcyjny (i-szy stopień - wlotowy) W układzie zaś przepływu pary przez po
szczególne stopnie przegrzewaczy prze
widziano podział pary na dwa równoległe strumienie i jedno ich skrzyżowanie.
Przerzut pary na drugą stronę kotła na
stępuje za II-gim stopniem przegrzewa
cza, gdzie jest również zainstalowany schładzacz wtryskowy.
Wielkości konstrukcyjne, a także da
ne obliczeniowe dla poszczególnych stop
ni dla warunków projektowych podaje, wg [-¡)
Rys.l. lokalizacja przegrzewa
cza w kotle
Fig.1. location of the reheater in the steam boiler , tablica 1.
Tsblica 1 Ip. Wyszczególnienie Wymiar s t 0 p i e ń
I I I I I I
1 . Materiał - 12H1MF 12H1MF 12H1MF
2. Średnica rur mm 50 x 4 50 x 4 50 x 5
3. Powierzchnia ogrzewalna 2
m 3370 1010 1640
4. Podziałka poprzeczna mm 138 552 138
5. Podziałka wzdłużna mm 80 55 80
6. Temperatura spalin:
- przed przegrzewaczem ° c 732 863 804
- za przegrzewaczem ° c 590 806 734
7. Temperatura pary:
- wlot ° c 328 454 479
- wylot °c 454 506 540
3. Uwagi eksploatacyjne i wyniki pierwszych pomiarów
Już w początkowym okresie eksploatacji kotła stwierdzono, że mimo do
trzymania parametrów pary świeżej i międzystopniowej na wylocie z kotła, za II stopniem przegrzewacza pary międzystopniowej, pomiędzy stroną lewą a prawą kotła, występują - w stosunku do wielkości projektowych - różnice w wielkości temperatury pary. Sugestie, iż różnice te mogą być spowodowane asymetrią obciążenia wentylatorów spalin lub nierównomiernym stopniem otwarcia klap przed podgrzewaczami powietrza po obu stronach
Warunki prący przegrzewaczy.. 411
kotła i podjęte w tym kierunku próby większego obciążenia wentylatora spa
lin po stronie prawej kotła, nie przyniosły pożądanych rezultatów. Efektem tych zabiegów było zróżnicowanie temperatury gorącego powietrza i spalin odlotowych bez istotnych zmian w rozkładzie temperatury pary za przegrze- waczem grodziowym.
Przeprowadzone, przy obciążeniu znamionowym bloku - 200 MW, lecz nie
pełnej regeneracji wysokoprężnej, pomiary kotła Nr 1, potwierdziły spo
strzeżenia eksploatacyjne, a ponadto ujawniły znaczne zróżnicowanie tempe
ratury metalu poszczególnych rur w grodziach, a także pomiędzy grodziami [2 ]. Mimo stosunkowo skromnej Ilości wyników pomiarów, autorzy opracowania stwierdzili, - iż w przegrzewaczu grodziowym występuje "przekroczenie dopu
szczalnych temperatur metalu i pary o rząd 20 K". Jedną z przyczyn tych nieprawidłowości był większy - w stosunku do wartości projektowych - przy
rost temperatury pary na stopniu poprzednim /wlotowym/.
4. Koncepcja modernizacji przegrzewacza
Troska o trwałość przegrzewaczy i potwierdzone wynikami pomiarów nie
prawidłowości w zakresie temperatury metalu przegrzewacza grodziowego, skłoniły elektrownię do podjęcia prac nad opracowaniem koncepcji moderni
zacji przegrzewaczy, a także wyjaśnienia przyczyn występowania tych roz
bieżności. Jednak ze względu na zaistniałe obawy obniżenia dyspozycyjności bloków, spowodowanej przedwczesnym zużyciem się części rur przegrzewacza, zdecydowano przedsięwziąć kroki, zmierzające w pierwszym rzędzie do wyeli
minowania skutków zaistniałych nieprawidłowości. W tym celu zlecono Insty
tutowi Energetyki opracowanie [ 3] koncepcji zmian doraźnych, a także prze
dłożenie propozycji docelowej, którą będzie można realizować w czasie re
montów kapitalnych.
Sporządzone, na podstawie dostarczonych przez służby eksploatacyjne elektrowni wyników pomiaru temperatury metalu na wylocie z wężownic prze
grzewacza grodziowego, obliczenia rozpływów i maksymalnej temperatury ścianki ogrzewanej części przegrzewacza wykazały, że kryterialną wężownicą do oceny trwałości przegrzewacza jest pierwsza, licząc od kierunku przepły
wu spalin, wężownicą obwiedniowa. We wnioskach wskazano, że w rozwiązaniu doraźnym można, bez uszczerbku dla parametrów pary międzystopniowej, usu
nąć bądź zaślepić wężownicę skrajną. Sugestia ta - jak powiedziano na wstępie - jest obecnie realizowana przez elektrownię. Rozwiązanie zaś do
celowe przewiduje wyrównanie rozpływów przez zmianę sposobu do- i odprowa
dzenia pary lub skrócenie długości wężownic zewnętrznych.
5. Zamierzenia 1 kierunki prac badawczych
Uwzględniając fakt, że wyniki obliczeń teoretycznych maksymalnej tempe
ratury metalu rur odnoszą eię do warunków występujących na wylocie z prze
grzewacza, a zjawisko zendrowania występuje głównie w jego części środko
w ej /dolna część rur/ oraz w mniejszym s t o p n iu w c z ę ś c i w lo to w e j, należy w nioskow ać, ż e p r z y j ę t e w opracow aniu { 3 ] w s p ó łc z y n n ik i n ieró w n o m iern o ści
412 R. Żamojdo, K. Rzeps, S. Krystek
rozpływów, a także obciążenia cieplnego są znacznie mniejsze niż w rzeczy
wistości. Oznacza to, że wszelkie propozycje zmian konstrukcyjnych mogą jedynie łagodzić, a niekoniecznie eliminować "występujące obecnie nieprawi
dłowości .
Wykorzystując dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne, rezultaty po
miarów i opracowań [2 ], [3], 14], Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej przedstawił i realizuje program badań;
etap I:
.- pomiary temperatury metalu /w strefie pozaogniowej/ wybranych wężow- nic w wytypowanych grodziach,
- wyznaczenie profilu prędkości i rozkładu temperatury spalin w prze
kroju poprzecznym kanału, etap II:
- pomiar ilości i parametrów pary międzystopniowej dopływającej do obu części przegrzewacza /strona lewa i prawa kotła/.
Program ten, jak łatwo zauważyć, zmierza do ustalenia przyczyn przedwcze
snego zużycia się materiału rur części'wężownic w grodziach po stronie lei wej kotła. W zależności od uzyskanych wyników w I i II etapie, program badań może tyć rozszerzony o zakres prac, obejmujący badania roz
pływów pary do poszczególnych grodzi, a nawet wybranych węźownic.
Prowadzenie tego typu badań wymaga ze strony elektrowni zapewnienia stosunkowo stabilnej pracy kotła, ograniczenia zakłóceń przypadkowych, a także wyposażenia kotła w dodatkową ilość punktów pomiarowych. Z tych też względów jako najdogodniejszy do pomiarów uznano kocioł Nr 2.
6. Pomiary wstępne
Wstępne pomiary, związane z realizacją I etapu badań, przeprowadzo
no w czerwcu 1985. Ich celem było ogólne rozpoznanie istoty zagadnień ob
jętych tym etapem prac, tzn. oszacowanie różnic w intensywności wymiany ciepła od spalin do powierzchni przegrzewacza oraz ustalenie różnic tem
peratury pomiędzy wężownicami intensywnie chłodzonymi, a wężownicaml ob
wiedni owymi /skrajnymi/.
Z uwagi na ograniczony czas postoju kotła zdecydowano, iż wstępne po
miary profilu prędkości i rozkładu temperatury spalin w kanale będą wyzna
czane tylko w dwóch przekrojach: na poziomie 48,6 i 52,8 m, tj. w miej
scach istniejących wzierników. Na tych poziomach zainstalowano, przepusz
czane przez strop kotła, 24 teraopary NiCr-Ni, służące do pomiaru tempe
ratury spalin przed nieparzystymi - licząc od strony lewej kotła - gro
dziami. Temperaturę spalin za przegrzewaczem mierzono termoparą, przymo
cowaną do wsuwanej do wnętrza kanału spalin sondy, służącej jednocześnie do pomiaru ciśnienia dynamicznego spalin. Przymocowana do rur przegrzewa
cza odpowiedniej konstrukcji rama, ułatwiała przesuwanie sondy, utrzyma
nie jej właściwego położenia, a także zapobiegała przeginaniu się sondy.
Temperaturę pary ustalano na podstawie pomiaru temperatury metalu w stre
fie pozaogniowej, a rozmieszczenie punktów pomiarowych /28 termppar
?/arunki pracy przegrzewaczy.. 413 NiCr-Ni/ -wykonano zgodnie z sugestiami Działu Ruchu Elektrowni. Po urucho
mieniu kotła z Z k termopar, mierzących temperaturę spalin przed przegrzewa- czem, 6 było niesprawnych, natomiast przy pomiarze temperatury metalu błęd
ne wskazania pokazywało 5 termopar.
7. Ocena wyników
Z uwagi na znaczne wahania wydajności kotła, spośród dużej ilości wyni
ków, na rys.2 przedstawiono porównywalny rozkład temperatury i prędkości
q- t e m p e r a t u r a s p a l i n p r z e d p r z e g r z e w a c z e m b - - ii - - 'i - z a p r ze g r z e wa c z e m c - p r ę d k o ś ć s p a l i n 2a p r z e g r z e w a c z e m _______________ s z e r o k o ś ć _k o t k a ___________ __
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 nu me r grodzi Rys.2. Profil prędkości i rozkład temperatury spalin w kanale
przegrzewacza
Fig.2. Velocity profile and burnt gas temperature distribution in the channel of the reheater
POZIOM 52
414 R. Żamojdo, K. Rzepa» S. Kryetek
spalin przy wydajności kotła odpowiadającej mocy bloku 187-t190 MW. Chociaż - z założenia - uzyskane rezultaty nie dostarczają bezpośredniej odpowiedzi na postawiony problem, to jednak stanowią dostateczną podstawę do oceny wpływu intensywności wymiany ciepła od spalin do powierzchni przegrzewacza na kształtowanie się temperatury metalu rur w strefie ogniowej. Jak widać z rys.2, rozkład temperatury spalin w przekroju poprzecznym kanału ma cha
rakter zróżnicowany i wyższe temperatury występują po stronie lewej kotła, szczególnie, zaś w obrębie grodzi 2 i- 8 na poziomie 48,6 m, a więc w tym zakresie przegrzewacza, w którym obserwuje się intensywny proces przedwcze
snego zużycia się materiału rur.
Średnie temperatury spalin przed i za przegrzewaczem wynoszą 773 i 719
°C i są mniejsze od wartości obliczeniowych t1], określonych drogą interpo
lacji /temperatura spalin przed przegrzewaczem - 825 °C; za przegrzewaczem - 770 °Cj średnia prędkość spalin - 4,5 m/s/. Maksymalny zaś rozrzut tempe
ratury spalin przed przegrzewaczem wynosi: 903 t 671 °C, a w odniesieniu do warunków panujących za przegrzewaczem odpowiednio 786 * 697 °C.
Zróżnicowany jest także profil prędkości spalin /rys.2/ na wylocie z po
wierzchni przegrzewacza. Średnia prędkość spalin na poziomie 48,6 m wynosi 5,0 m/s i jest o 1 m/s mniejsza niż na poziomie 52,8 m. Średnia zaś pręd
kość w całym przekroju wynosi 5,47 m/s i jest większa od średniej oblicze
niowej - 4,5 m/s. Największe prędkości spalin /ca 8,4 m/s/ występują w tych samych obszarach przekroju poprzecznego kanału, co maksymalne temperatury spalin. Oznacza to, że grodzie 2 t 8, ze względu na większy napór tempera
tury i intensywniejszą wymianę ciepła, znajdują się w strefie większych ob
ciążeń cieplnych. Z porównania średniej prędkości spalin, ustalonej na dro
dze pomiarów, z wartością obliczeniową wynika, że współczynnik omywania po
wierzchni ogrzewalnej całego przegrzewacza wynosi 0,8.
Nierównomierność obciążenia cieplnego przegrzewacza, a także ewentualne różnice w ilości pary przepływającej przez część lewą i prawą kotła spra
wiają, że przy mocy bloku 200 MW przyrost temperatury pary po stronie lewej i prawej kotła różni się od wartości obliczeniowej - 52 K i wynosi: strona lewa - 44 K, prawa - 37 K. Pomimo mniejszego przyrostu temperatury pary w przegrzewaczu grodziowym po stronie lewej kotła, na wylocie z przegrzewa
cza grodziowego temperatura pary przekracza o około 4 f 6 K wartość obli
czeniową - 500 °C. Stan taki jest konsekwencją oddziaływania stopnia wloto
wego. Po stronie zaś prawej kotła, ze względu na niższą od obliczeniowej temperaturę pary za stopniem wlotowym /wartość obliczeniowa - 448 °C, rze
czywista - 436 °C/, a także mniejszy przyrost temperatury pary w przegrze
waczu grodziowym, na jego wylocie utrzymuje się temperatura 473 °C, tj.
niższa od obliczeniowej o 25 K. Po skrzyżowaniu strumieni pary, różnice te praktycznie niwelują się.
Odzwierciedleniem warunków pracy wężownic przy mocy bloku 200 MW są wy
niki pomiarów temperatury metalu na wylocie z przegrzewacza, zamieszczone w tablicy 2.
Warunki pracy przegrzewsczy.. 415
Tablica 2 Nr
Nr grodzi
rurki 2 3 4 5 6 21 23
13 - wlot 13 - wylot
3 - wylot 2 - wylot
460 /483/
499 /528/
535 /565/
542 /572/
460 /483/
542 /570/
511 /536/
542 /570/
554 /579/
460 /483/
548 /570/
460 /483/
505 /528/
542 /563/
554 /581/
436 /453/
467 /487/
483 /504/
504 /523/
436 /453/
467 /487/
483 /499/
504 /509/
Uwaga; Wartości podane w nawiasach dotyczą przypadku zakłócenia sygnalizo
wanego "wysoka temperatura pary świeżej i międzystopniowej"; moc bloku - 181 MW.
8. Uwagi końcowe
Przeprowadzone w ramach etapu I badania profilu prędkości i rozkła
du temperatury spalin w kanale przegrzewacza grodziowego potwierdziły spo
strzeżenia obsługi kotła, iż najbardziej narażonymi na uszkodzenia wężow- nicami są wężownice obwiedniowe grodzi 2 r 8. W zakresie tych grcdzi, na >
poziomie 48,6 m, stwierdzono najwyższe temperatury i prędkości spalin. Sy
metria kanałów odprowadzających spaliny, stan techniczny wentylatorów cią
gu i podmuchu, wykluczają praktycznie zakłócenia przypadkowe i wskazują,że różnice te mogą być konsekwencją oddziaływania paleniska /niewłaściwe usta
wienie jądra płomienia, wydłużenie drogi spalania po stronie lewej kotła/.
Konieczność wyjaśnienia przyczyn tego niepożądanego zjawiska wymaga pro
wadzenia dalszych badań ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania pracu
jących palników, a także ustawienia jądra płomienia.
Obliczenia szacunkowe wskazują, iż przy obliczonym teoretycznie rozpły
wie pary do poszczególnych wężownic [3] i przy tak zróżnicowanym profilu prędkości i rozkładzie temperatury spalin, jaki stwierdzono w czasie pomia
rów, nie powinno występować zjawisko przedwczesnego zużycia się materiału rur. Fakt jego występowaniaiskłania do wniosku, że decydującym czynnikiem zaistniałych trudności w pracy przegrzewacza międzystopniowego jest nierów- nomierność rozpływu pary do poszczególnych grodzi i rur. Zagadnienia te bę
dą przedmiotem badań w następnych etapach realizacji programu ustalenia przyczyn przedwczesnego zużycia się części wężownic po stronie lewej kotła.
LITERATURA
[1] Teplovoj rascet kotła - dokumentacja dostawcy kotła.
[2] Habryka A., Moskal St.J., Nocoń J. - Sprawozdanie Nr 24.1/80 z pomiaru - cyrkulacji czynnika w parowniku, temperatur metalu części ciśnieniowej oraz wstępna ocena cieplnych warunków pracy. Praca Energppomiaru, Gli
wice 1980 r.
[3] Charzyński Wł., Cwynar L., Fłorkiewicz R., Wronowski B. - Ocena i kon
cepcja modernizacji 2 przegrzewacza i węzła schładzacza pary wtórnej kotłów EP-650-137 w El.Połaniec. Praca Instytutu Energetyki, Warszawa 1981.
[4] Rodak T. - Ocena stanu rur pobranych z kotła Nr 2 z Elektrowni Poła
niec , Radom 1984.
416 R. Żamojdo, K. Rzepa, S. Krystek
yCJIOBKH- PABOTH BTOPHUHHX nPOHEPErPBBAIEJIEii B KOTJIAX E II-6 5 0
P e 3 b m e
I lp o B e ,n e H H t J e b 1980 r . H c i m i a H H H n o K a 3 a x H , v x o b d h p m o b o m b x o p h h h o m n e p e - r p e s a x e x e n a p a e x e B o g c x o p o H H K o x x a B H c x y n a e x n p e B w n e H H e f l o n y c i H M o g x e M n e - p a x y p n M e T a x x a . M H o r o x e i H n e o K c n x y a x a i j j i o H H L i e u c c x e f l O B a H H i i f lO K a 3 H B a J o x , v x o H E J ie H iie 3 T 0 H e c x y n a g H O , k6o n p o n c x o , X H i b o B o e x C M O H T H p o B a H H H x K O T j i a x .
B pe3yjiBTaie npeBHffleHHa xonycTHMog xeMiiepaiypH Mexaxxa, HMeei Mecxo npeacxe- BpeMeHHHa h 3 h o c KpaiiHHX 3MeeBHK0B, BuoeKaHHe h x h 3arxynuca noBpescxeHHHX xpyfi onoco6oTByioT ysexHveHHio OKcnxyaxanaoHHoro opoxa Koxxa, oflnaKo He ycxpaHxiox cynecTByiomHx xpyAHocxeg. RexBio b h h c h h t b npHVHHH b t h x xpyxHocxeg npexcxaBxeHo nporpaMMy HcexexoBaBHg, a Tairace pe3yxBiaxu nepBHx HctmxaHHg, KoxopHe b h h b h x h , tixo HaaSojiBmHe CKopoeiH h xeMnepaxypH ra3 0B HaxoftHica b HHXHeg vacin KaHaxa c xe3og oxopoHH xoixa, x.e. b i o m Meoxe neperpeBaxexa, rxe Bucxynaex c h x b - HHg npopeoc npexxeBpeMeHHoro n3Hoca Mexaxxa. BexyimxexBHax opeHKa npoOxeuH pa3pemaeT eyxHiB, h x o c x o x b SoxBmax pa3H00XB xeMnepaTypH h CKopoeiH b ra3o-
b o m Kanaxe neperpeBaxexa HBXHexoa exexicxBHeM B03fleaciBHH xonovHog KaMepH.
Bo3Re{ioxBHe b x o oynjeoxBeaHHH o6pa3 0M Bxaaei Ha xoxaxBHoe 3HaveHHe xenxoBog Harpy3KH, h o He XBXHexcx rxaBHog npavHHog b o 3 h h k h i h x ipyflHocxeg. EoxBmoe 3Ha- neHae HMeex HepaBKOMepHoe pa3£exeHne napa b oxxexBHhtx xpySax a mapuax.
OPERATING CONDITIONS OP INTER-STAGE SUPERHEATERS EP-650 BOILERS
S u m m s r y
Measurements carried out in 1980 showed in the inter-stage platten- type superheater on the left side of the hoiler the temperature exceeded considershly the temperature permissible for the material pipes were made of. Several years exploitation studies proved that this effect is not of random character and can be observed for all boilers installed. As a con
sequence of overheating the material pipes were made of a premature wear of side cooling coils occurs. Although the immediete remedy used ar pre
sent, i.e., catting out or blanking off pipes prevents too offen failurs of a boiler, nevertheless this does not remove the immediate causes of failures. In order to examine to causes of overheating a research program together with the results of preliminary measurements have been presented which showed that the highest velocities and temperatures occur at the bottom part of the boiler pass on its left side so, in other words, at this part of the overhester where an intensive premature wear of pipe material is observed. A tentative recoguition of the problem suggests that such wide spatial differences of temperatures and velocites scross the hoiler pass section might be attributed to the influrence of the com
bustion chamber. The effect of combustion chamber largely affects the lo
Warunki pracy przegrzewaczy... 417 cal values of, hest stream tut there might be some ether reasons for this.
Of greater importance is a not uniform ateem propagation to particular pipes and platten.
Recenzent: Prof. dr hab. inz. ludwik Cwynar
V/plynglo do Redakcji w marcu 1986 roku.
